一种用于贴片机的音圈电机控制系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种用于贴片机的音圈电机控制系统及控制方法，应用于自动控制技术领域，所述系统包括控制器、电机驱动器和电机模组；所述控制器向电机驱动器输出控制信号，电机驱动器向电机模组输出驱动电流，电机模组分别向控制器和电机驱动器反馈力信号和位置信号，并控制贴片机上的贴片头到达和远离芯片位置；所述控制器内设有开关一和选择开关，用于切换控制模式；所述控制器设有积分器，并通过对控制器内的选择开关和开关一进行控制，实现音圈电机的位置控制、速度控制和柔顺控制，并能根据实际需要实时切换位置控制模式、速度控制模式和柔顺控制模式这3种控制模式。

权利要求

1.一种用于贴片机的音圈电机控制系统，其特征在于：包括控制器、电机驱动器和电机模组；所述控制器向电机驱动器输出控制信号，电机驱动器向电机模组输出驱动电流，电机模组向控制器反馈力信号，电机模组向电机驱动器反馈位置信号，并控制贴片机上的贴片头到达和远离芯片位置；所述控制器内设有开关一和选择开关，用于切换控制模式；

所述控制器还包括设定值一、设定值二、力信号比较器、积分器和转换系数，所述电机模组反馈的力信号经转换系数和开关一输入到力信号比较器，力信号比较器的另一个输入为设定值一的输出，力信号比较器的输出经积分器处理后输入选择开关，选择开关的另一个输入为设定值二的输出，选择开关向电机驱动器输出控制信号；

所述电机驱动器包括位置‑电流双闭环装置，所述位置闭环为外环，位置闭环包括位置信号比较器和位置控制器，位置信号比较器的输入信号为控制器输出的控制信号和电机模组反馈的位置信号，位置信号比较器为位置控制器提供输入信号；所述电流闭环为内环，电流闭环包括电流信号比较器、电流控制器、功率放大和电流检测，电流信号比较器的输入信号为位置控制器输出的信号和电流检测反馈的信号，电流信号比较器为电流控制器提供输入，电流控制器为功率放大提供输入，功率放大的输出信号既向电机模组提供驱动电流，又为电流检测提供输入信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于贴片机的音圈电机控制系统，其特征在于：所述电机模组包括音圈电机、力传感器和光栅尺；所述力传感器和光栅尺设于音圈电机上，力传感器用于向控制器反馈力信号，光栅尺用于向电机驱动器反馈位置信号。

3.一种音圈电机控制方法，应用于如权利要求1或2任一所述的一种用于贴片机的音圈电机控制系统，其特征在于，包括以下步骤：S1、控制器采用位置控制模式，贴片头到达芯片位置附近：根据实际工况对设定值二进行设定，将选择开关置于2的位置，接通设定值二的输出，电机模组控制贴片机上的贴片头向前行进设定值二的距离，实现贴片头快速到达芯片位置附近；

S2、控制器采用柔顺控制模式，贴片头到达芯片位置，完成芯片焊接：将选择开关置于1的位置，接通积分器的输出，并将开关一闭合，调整设定值一和转换系数的值，进而调整贴片头力的大小，使得贴片头到达芯片位置，并进行压力保持，芯片可靠接触焊盘，直至完成芯片焊接；

S3、控制器采用位置控制模式，高速回退：完成芯片焊接后，将设定值二设定为返回的初始位置，将选择开关置于2的位置，接通设定值二的输出，电机模组控制贴片机上的贴片头向后行进设定值二的距离，实现贴片头高速回退。

4.根据权利要求3所述的一种音圈电机控制方法，其特征在于：所述S2中贴片头到达芯片位置的具体计算过程为：

ΔW＝SP×T

其中，△W为积分器输出的位置增量，Sp为设定值一的具体数值，T为积分器采样周期，通过调整Sp进而实现贴片头到达芯片位置。

5.根据权利要求3所述的一种音圈电机控制方法，其特征在于：所述S2中调整贴片头力的大小完成芯片焊接的具体过程为：

ΔW＝(SP‑F×KF)×T

其中，F为力传感器检测值，KF为转换系数的值，在进行芯片焊接时，积分器输出的位置增量为零，调整Sp和KF的大小，进而调整F的大小，进而调整贴片头力的大小，完成芯片焊接；△W为积分器输出的位置增量，T为积分器采样周期；Sp为设定值一。

6.根据权利要求3所述的一种音圈电机控制方法，其特征在于：所述S2中贴片头到达芯片位置，并进行压力保持，其具体过程为：当电机模组反馈的力信号通过转换系数处理后与设定值一的数值大小相同，此时积分器的输入为零，积分器不进行积分，实现压力保持。

说明书

一种用于贴片机的音圈电机控制系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种用于贴片机的音圈电机控制系统及控制方法。

背景技术

[0002] 音圈电机驱动是一种没有中间环节的直接驱动系统，控制精度高，在芯片贴片系统、机器打磨系统及宏/微平台等有着广泛的应用，在这些控制系统中，往往需要柔顺接触
控制，如芯片贴片系统中贴片，需要控制首次接触力，俗称“软着陆”。

[0003] 在文献《基于音圈电机的力/位控制及应用》(黄浩.华中科技大学硕士论文,2008)中，对目前“软着陆”控制方法进行了小结，“软着陆”通过在不同阶段精确控制跟随误差的
检测阈值、控制速度以及输出电流来实现的，该方法的核心思想是通过控制电流设定值的
阈值，进而实现对接触力进行控制，并通过位置跟随误差的大小判断是否已经接触。

[0004] 这种方法主要存在两个不足，一是由于音圈电机线圈电流控制自身存在一定的误差，因而影响接触力的控制精度，为提高控制精度，需要反复进行实验调整参数；另一不足
是将控制过程分为若干阶段，通过机器学习或反复试验，完成“软着陆”控制。

发明内容

[0005] 技术目的：针对现有技术中音圈电机控制过程较为复杂、控制力的控制精度较低的缺陷，本发明公开了一种用于贴片机的音圈电机控制系统及控制方法，通过对控制器内
的选择开关和开关一进行控制，实现音圈电机的位置控制、速度控制和柔顺控制，并能根据
实际需要实时切换位置控制模式、速度控制模式和柔顺控制模式这3种控制模式。

[0006] 技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

[0007] 一种用于贴片机的音圈电机控制系统，包括控制器、电机驱动器和电机模组；所述控制器向电机驱动器输出控制信号，电机驱动器向电机模组输出驱动电流，电机模组分别
向控制器和电机驱动器反馈力信号和位置信号，并控制贴片机上的贴片头到达和远离芯片
位置；所述控制器内设有开关一和选择开关，用于切换控制模式。

[0008] 优选地，所述控制器还包括设定值一、设定值二、力信号比较器、积分器和转换系数，所述电机模组反馈的力信号经转换系数和开关一输入到力信号比较器，力信号比较器
的另一个输入为设定值一的输出，力信号比较器的输出经积分器处理后输入选择开关，选
择开关的另一个输入为设定值二的输出，选择开关向电机驱动器输出控制信号。

[0009] 优选地，所述电机驱动器包括位置‑电流双闭环装置，所述位置闭环为外环，位置闭环包括位置信号比较器和位置控制器，位置信号比较器的输入信号为控制器输出的控制
信号和电机模组反馈的位置信号，位置信号比较器为位置控制器提供输入信号；所述电流
闭环为内环，电流闭环包括电流信号比较器、电流控制器、功率放大和电流检测，电流信号
比较器的输入信号为位置控制器输出的信号和电流检测反馈的信号，电流信号比较器为电
流控制器提供输入，电流控制器为功率放大提供输入，功率放大的输出信号既向电机模组
提供驱动电流，又为电流检测提供输入信号。

[0010] 优选地，所述电机模组包括音圈电机、力传感器和光栅尺；所述力传感器和光栅尺设于音圈电机上，力传感器用于向控制器反馈力信号，光栅尺用于向电机驱动器反馈位置
信号。

[0011] 一种音圈电机控制方法，应用于以上任一所述的一种用于贴片机的音圈电机控制系统，包括以下步骤：

[0012] S1、控制器采用位置控制模式，贴片头到达芯片位置附近：根据实际工况对设定值二进行设定，将选择开关置于2的位置，接通设定值二的输出，电机模组控制贴片机上的贴
片头向前行进设定值二的距离，实现贴片头快速到达芯片位置附近；

[0013] S2、控制器采用柔顺控制模式，贴片头到达芯片位置，完成芯片焊接：将选择开关置于1的位置，接通积分器的输出，并将开关一闭合，调整设定值一和转换系数的值，进而调
整贴片头力的大小，使得贴片头到达芯片位置，并进行压力保持，芯片可靠接触焊盘，直至
完成芯片焊接；

[0014] S3、控制器采用位置控制模式，高速回退：完成芯片焊接后，将设定值二设定为返回的初始位置，将选择开关置于2的位置，接通设定值二的输出，电机模组控制贴片机上的
贴片头向后行进设定值二的距离，实现贴片头高速回退。

[0015] 优选地，所述S2中贴片头到达芯片位置的具体计算过程为：

[0016] ΔW＝SP×T

[0017] 其中，△W为积分器输出的位置增量，Sp为设定值一的具体数值，T为积分器采样周期，通过调整Sp进而实现贴片头到达芯片位置。

[0018] 优选地，所述调整贴片头力的大小完成芯片焊接的具体过程为：

[0019] ΔW＝(SP‑F×KF)×T

[0020] 其中，F为力传感器检测值，KF为转换系数的值，在进行贴片焊接时，积分器输出的位置增量为零，调整Sp和KF的大小，进而调整F的大小，进而调整贴片头力的大小，完成芯片
焊接。

[0021] 优选地，所述S2中贴片头到达芯片位置，并进行压力保持，其具体过程为：当电机模组反馈的力信号通过转换系数处理后与设定值一的数值大小相同，此时积分器的输入为
零，积分器不进行积分，实现压力保持。

[0022] 有益效果：

[0023] 1、本发明在电机驱动器中实现位置‑电流双闭环控制，在电机驱动器配置不变的情况下，通过对控制器内的选择开关和开关一进行控制，实现音圈电机的位置控制、速度控
制和柔顺控制，并能根据实际需要实时切换位置控制模式、速度控制模式和柔顺控制模式
这3种控制模式；

[0024] 2、本发明中，通过设定值一的具体数值调整，可改变贴片机上的贴片头到达芯片位置时的接近速度；

[0025] 3、本发明中，通过调整设定值一和转换系数的具体数值，便捷高效的控制贴片机上的贴片头进行焊接时的接触力。

附图说明

[0026] 图1为本发明的系统结构框图；

[0027] 图2为图1的具体结构示意图；

[0028] 图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图对本发明做进一步的说明和解释。

[0030] 本发明公开了一种用于贴片机的音圈电机控制系统及控制方法，这里音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)是一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单体积小、高速、高
加速响应快等特性。音圈电机的工作原理是，通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的
大小与施加在线圈上的电流成比例.基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者
圆弧。

[0031] 如附图1所示，一种用于贴片机的音圈电机控制系统，包括控制器、电机驱动器和电机模组，控制器向电机驱动器输出控制信号，电机模组分别向控制器和电机驱动器提供
反馈力信号和位置信号。

[0032] 如附图2所示，控制器向电机驱动器输出控制信号，控制器还包括设定值一、设定值二、力信号比较器、积分器、转换系数、开关一和选择开关，所述电机模组反馈的力信号经
转换系数和开关一输入到力信号比较器，力信号比较器的另一个输入为设定值一的输出，
力信号比较器将设定值一和开关一输出的值相减，并将结果输出到积分器，积分器输出到
选择开关，选择开关的另一个输入为设定值二的输出，选择开关向电机驱动器输出控制信
号，控制器内的开关一和选择开关用于切换控制模式。

[0033] 电机驱动器向电机模组输出驱动电流，电机驱动器包括位置‑电流双闭环装置，所述位置闭环为外环，位置闭环包括位置信号比较器和位置控制器，位置信号比较器的输入
信号为控制器输出的控制信号和电机模组反馈的位置信号，位置信号比较器为位置控制器
提供输入信号；所述电流闭环为内环，电流闭环包括电流信号比较器、电流控制器、功率放
大和电流检测，电流信号比较器的输入信号为位置控制器输出的信号和电流检测反馈的信
号，电流信号比较器为电流控制器提供输入，电流控制器为功率放大提供输入，功率放大的
输出信号既向电机模组提供驱动电流，又为电流检测提供输入信号,所述的位置控制器和
电流控制器均采用比例积分控制算法。

[0034] 本发明在电机驱动器中实现位置‑电流双闭环控制，在电机驱动器配置不变的情况下，通过对控制器内的选择开关和开关一进行控制，可实现音圈电机的位置控制、速度控
制和柔顺控制，并能根据实际需要实时切换位置控制模式、速度控制模式和柔顺控制模式
这3种控制模式。

[0035] 电机模组分别向控制器和电机驱动器反馈力信号和位置信号，并控制贴片机上的贴片头到达和远离芯片位置；电机模组包括音圈电机、力传感器和光栅尺；所述力传感器和
光栅尺设于音圈电机上，力传感器用于向控制器反馈力信号，光栅尺用于向电机驱动器反
馈位置信号。

[0036] 如附图3所示，一种音圈电机控制方法，应用于以上任一所述的一种用于贴片机的音圈电机控制系统，包括以下步骤：

[0037] S1、控制器采用位置控制模式，贴片头到达芯片位置附近：根据实际工况对设定值二进行设定，将选择开关置于2的位置，接通设定值二的输出，电机模组控制贴片机上的贴
片头向前行进设定值二的距离，实现贴片头快速到达芯片位置附近；其中位置控制模式采
用的是开环控制，使得音圈电机按照设定值二快速到达芯片位置。

[0038] S2、控制器采用柔顺控制模式，贴片头到达芯片位置，并进行压力保持，直至焊接结束：将选择开关置于1的位置，接通积分器的输出，并将开关一闭合，调整设定值一和转换
系数的值，进而调整贴片头力的大小，完成芯片与焊盘接触并保持压力，使芯片可靠接触焊
盘，完成芯片焊接；

[0039] S3、控制器采用位置控制模式，高速回退：完成芯片焊接后，将设定值二设定为返回的初始位置，将选择开关置于2的位置，接通设定值二的输出，电机模组控制贴片机上的
贴片头向后行进设定值二的位置，实现贴片头高速回退。

[0040] 设力传感器检测值为F，转换系数为KF，设定值一为Sp，积分器输出的位置增量为△W，积分器采样周期为T，则柔顺控制时，存在如式(1)的数学关系：

[0041] ΔW＝(SP‑F×KF)×T   (1)

[0042] 在音圈电机在没有接触时，力传感器检测值F＝0，此时，积分器输出的位置增量为ΔW＝SP×T，可以通过调整Sp大小，调整每个采样周期的位置增量，进而调整音圈电机的运
行速度。

[0043] 柔顺接触力大小的调整方法为：当音圈电机运行接触后，位置增量为0，基于式(1)，可以得到 在确定了未接触时的运行速度相关的Sp，可以通过调整KF的值，调整
接触力的大小，而当电机模组反馈的力信号通过转换系数处理后与设定值一的数值大小相
同，此时积分器的输入为零，积分器不进行积分，实现压力保持。

[0044] 本发明中在控制器内增加积分器，在柔顺控制的过程中，在贴片机上的贴片头没有接触芯片时，力传感器检测值为零，此时积分器按照设定值一进行积分，控制贴片头到达
贴片指定位置，通过设定值一的具体数值调整，可改变贴片机上的贴片头到达芯片位置时
的接近速度；而在贴片头到达贴片指定位置时，积分器输出的位置增量为零，此时通过调整
设定值一和转换系数的具体数值，便捷高效的控制贴片机上的贴片头进行焊接时的接触
力，当设定值一与开关一输出的值大小相等时，力信号比较器向积分器输出零，此时积分器
不进行积分，保持力传感器当前值的大小，即最终控制芯片贴片时的接触力与设定值一相
同。本发明可根据不同芯片的厚度等实际工况对设定值一和转换系数进行设定和调整。

[0045] 所述的位置控制模式中，控制方法为，将选择开关置于2的位置，此时，设定值二即为音圈电机的目标位置值，控制器通过电机控制器，实现对音圈电机的位置控制。在位置控
制模式中，音圈电机都将当前所在位置设为原点，根据要到达的位置距离设置设定值二，实
现贴片过程中的高速到达和高速回退。

[0046] 所述的速度控制模式中，控制方法为，将选择开关置于1的位置，且断开开关一，此时，在设定值一与电机控制器之间设置的积分器，利用积分器的积分功能，对设定值一进行
积分，并将积分器输出通过选择开关传输到电机驱动器，并通过电机控制器，实现对音圈电
机的速度控制，在这种控制模式，设定值一与音圈电机的运行速度成线性关系，通过改变设
定值一，可以改变音圈电机运行速度。

[0047] 所述的柔顺控制模式中，控制方法为，将选择开关置于1的位置，且闭合开关一，此时，设定值一减去力传感器测量的乘以转换系数后输入到积分器进行积分，并将结果传输
电机控制，实现对音圈电机的柔顺控制。

[0048] 本发明中，通过设定值一的具体数值调整，可改变贴片机上的贴片头到达芯片位置时的接近速度；通过调整设定值一和转换系数的具体数值，便捷高效的控制贴片机上的
贴片头进行焊接时的接触力。

[0049] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。